空間曲面溜槽參數(shù)化設(shè)計(jì)的研究與應(yīng)用

張 磊，邰 洋，趙書寧，韓正澤

(中煤邯鄲設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，河北 邯鄲 056031)

空間曲面溜槽是煤礦常用的用于降低塊煤破碎率的非標(biāo)設(shè)備，對(duì)于不同直徑、不同落料點(diǎn)的煤倉(cāng)與各種轉(zhuǎn)載點(diǎn)來(lái)說(shuō)，空間曲面溜槽的設(shè)計(jì)不盡相同，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。溜槽常規(guī)設(shè)計(jì)方法是采用AutoCAD二維軟件設(shè)計(jì)，但空間曲面溜槽具有復(fù)雜的空間曲面特性，如采用二維軟件設(shè)計(jì)，不僅設(shè)計(jì)、計(jì)算工作量很大，且繪圖過(guò)程十分繁瑣，在設(shè)計(jì)、檢查與校核過(guò)程中會(huì)耗費(fèi)大量的人力資源。三維軟件設(shè)計(jì)雖然可以節(jié)省一定的計(jì)算和繪圖時(shí)間，但需要將設(shè)計(jì)資料三維化后再設(shè)計(jì)，最后還需要將三維圖轉(zhuǎn)化為二維圖給工廠加工使用，因此相對(duì)于AutoCAD二維軟件設(shè)計(jì)，也沒(méi)能有效提高工作效率。

筆者通過(guò)總結(jié)多年空間曲面溜槽設(shè)計(jì)和制圖經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)空間曲面溜槽總體結(jié)構(gòu)只受幾個(gè)特定參數(shù)的約束，因此采用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，可有效解決常規(guī)設(shè)計(jì)方法工作繁瑣與效率低下等問(wèn)題，不僅可實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)資料的無(wú)縫對(duì)接，檢查、校核方便，還可以直接生成工程所需的二維加工圖，既能節(jié)省設(shè)計(jì)、計(jì)算所需的大量人力，提高工作效率，又可避免中間環(huán)節(jié)可能產(chǎn)生的一些問(wèn)題。

1 空間曲面溜槽的參數(shù)化設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)

參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要由AutoCAD軟件和Excel軟件兩部分組成。

AutoCAD軟件是一款非參數(shù)化環(huán)境的繪圖軟件，可通過(guò)編輯Lisp程序設(shè)置繪圖命令(例如線型、線寬、顏色等)，然后通過(guò)一個(gè)個(gè)交互式的繪圖命令來(lái)完成繪圖工作；Excel軟件是一款表格計(jì)算軟件，通過(guò)其強(qiáng)大的函數(shù)功能與VBA編程的綜合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)輸入特定參數(shù)，即可準(zhǔn)確計(jì)算出要繪制圖形的坐標(biāo)數(shù)據(jù)組，最后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為AutoCAD軟件所認(rèn)知的繪圖命令，在AutoCAD軟件中批量展點(diǎn)，從而快速繪制出圖形[1-3]。

1.2 設(shè)計(jì)流程

(1)編制設(shè)計(jì)環(huán)境。設(shè)計(jì)環(huán)境包括建立繪圖樣板和編寫繪圖命令兩部分。首先建立繪圖樣板，為使所繪圖形更加方便查看，需要設(shè)置不同的圖層來(lái)區(qū)別不同的圖形特征(包括顏色、線型等)；然后通過(guò)AutoCAD軟件自帶的Lisp程序，設(shè)置相應(yīng)的繪圖命令。例如圖層1設(shè)置成顏色為綠色的虛線層，對(duì)應(yīng)的命令為 “xx1”。那么在命令行依次輸入：xx1→L→(X1，Y1)→(X2，Y2)，即可繪制一條從坐標(biāo)(X1，Y1)到(X2，Y2)的綠色虛線[4]。

(2) 確定設(shè)計(jì)參數(shù)。設(shè)計(jì)一套空間曲面溜槽的圖紙需要很多尺寸數(shù)據(jù)，但是不可能把所有的數(shù)據(jù)都作為設(shè)計(jì)參數(shù)。這就需要對(duì)空間曲面溜槽設(shè)計(jì)制圖進(jìn)行分析，采用既能體現(xiàn)不同空間曲面溜槽結(jié)構(gòu)特征，又能推導(dǎo)出其他尺寸的基本數(shù)據(jù)作為繪圖參數(shù)。例如：螺旋段的外弧半徑R2、螺旋段底板寬度B、外螺旋角α2等都屬于需要輸入的基本數(shù)據(jù)，應(yīng)作為繪圖參數(shù)，而內(nèi)弧半徑R1、內(nèi)螺旋角α1等可在基本數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上利用函數(shù)公式計(jì)算出來(lái)，因而不必重復(fù)輸入。雖然這些函數(shù)計(jì)算很復(fù)雜，但只要公式輸入正確，對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)瞬間即可完成。

(3) 設(shè)計(jì)交流界面。對(duì)于參數(shù)化設(shè)計(jì)程序來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)交流界面主要考慮繪圖參數(shù)的輸入和相關(guān)控件的布局，為了增加程序的可讀性，可以添加批注來(lái)顯示各繪圖參數(shù)的含義。本空間曲面溜槽參數(shù)化設(shè)計(jì)程序的設(shè)計(jì)交流界面如圖1所示[5]。

(4) 編寫設(shè)計(jì)程序。設(shè)計(jì)程序的核心就是依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算出所需繪制圖形的各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，然后通過(guò)AutoCAD軟件中Lisp程序預(yù)先設(shè)置好的繪圖命令，將計(jì)算出的坐標(biāo)點(diǎn)用不同的線型連接起來(lái)。例如：在圖2中，已知螺旋段內(nèi)外螺旋半徑R1、R2和內(nèi)外螺旋角α1、α2，首先設(shè)內(nèi)螺旋圓心A為坐標(biāo)基準(zhǔn)點(diǎn)(0，0)，外螺旋圓心B坐標(biāo)(-X0，Y0)；然后計(jì)算出點(diǎn)1—4的坐標(biāo)(X1，Y1)—(X4，Y4)；最后，依次用直線命令和弧線命令連接點(diǎn)1—4，即可繪制出此螺旋段的俯視圖[6-7]。按照以上思路，將所有需要繪制的圖形坐標(biāo)點(diǎn)都計(jì)算出來(lái)，并結(jié)合AutoCAD軟件中Lisp程序預(yù)先設(shè)置好的繪圖命令，按照一定的次序排列。

圖1 參數(shù)化設(shè)計(jì)程序的設(shè)計(jì)交流界面

圖2 繪圖示例

(5)制圖。制圖程序編制的過(guò)程比較復(fù)雜，需要編寫上千個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)的函數(shù)公式，但最終應(yīng)用時(shí)卻很方便，只需要輸入空間曲面溜槽的特定參數(shù)。如圖1所示，所有點(diǎn)坐標(biāo)及繪圖命令自動(dòng)計(jì)算生成，并按照一定的次序排列在表格中，只需選擇所需繪制圖形，點(diǎn)擊“繪圖”按鈕，即可復(fù)制所有命令，然后到AutoCAD軟件界面中調(diào)出之前建立的繪圖樣板，在命令行粘貼，即可生成所需繪制的所有圖形[8-10]。

1.3 設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)

(1)工作效率大大提高。參數(shù)化設(shè)計(jì)程序是在已完成空間曲面溜槽設(shè)計(jì)圖紙的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，其繪圖習(xí)慣、圖形組成等都和原設(shè)計(jì)圖吻合，設(shè)計(jì)人員只需在程序繪圖的基礎(chǔ)上添加一些尺寸標(biāo)注、剖視圖等，最后填寫明細(xì)表即可。如采用常規(guī)繪圖方法，設(shè)計(jì)一套倉(cāng)內(nèi)空間曲面溜槽的圖紙需要大概15～18個(gè)工作日，而采用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法只需不到3個(gè)工作日即可完成，工作效率提高了5倍以上。

(2)檢查校核省時(shí)省力。由于空間曲面溜槽設(shè)計(jì)過(guò)程十分復(fù)雜，常規(guī)設(shè)計(jì)方法的檢查、校核也非常消耗時(shí)間及精力。通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)程序生成的圖紙，所有圖形點(diǎn)的坐標(biāo)都是通過(guò)Excel計(jì)算得出的，這些計(jì)算結(jié)果只與輸入的原始參數(shù)有關(guān)，因此只需要檢查校核原始參數(shù)輸入是否正確，可以免除繁瑣的中間環(huán)節(jié)的檢查，使得原來(lái)需要一兩個(gè)工作日才能完成的檢查、校核工作縮短到了一兩個(gè)小時(shí)。

(3)此外，參數(shù)化設(shè)計(jì)程序只要輸入?yún)?shù)校核正確，生成的圖形可以達(dá)到零失誤，在提高工作效率的同時(shí)，也提高了圖紙質(zhì)量，并有利于產(chǎn)品質(zhì)量的提升。

2 應(yīng)用實(shí)例

圖3所示為內(nèi)蒙古伊泰煤炭股份有限公司宏景塔一礦塊煤倉(cāng)內(nèi)的螺旋溜槽，該螺旋溜槽是一種多用于煤倉(cāng)內(nèi)的典型空間曲面溜槽，是采用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法完成的。該螺旋溜槽全部加工圖紙折A1圖共計(jì)16張，其中空間曲面段13張，其余為常規(guī)溜槽段和支撐段等，如果采用常規(guī)方法，設(shè)計(jì)人員一天(工作8 h)最多完成一張A1圖紙的設(shè)計(jì)，再加上設(shè)計(jì)過(guò)程中必不可少的復(fù)雜計(jì)算過(guò)程，全部圖紙至少需要16～18個(gè)工作日才能完成。采用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，從方案確定到所有圖紙?jiān)O(shè)計(jì)完成，只用了3個(gè)工作日，設(shè)計(jì)周期大大縮短，比常規(guī)方法縮短了80%以上。

該螺旋溜槽于2016年8月安裝完成，運(yùn)行至今，應(yīng)用效果良好。

圖3 宏景塔一礦塊煤倉(cāng)內(nèi)螺旋溜槽結(jié)構(gòu)總圖

3 結(jié)語(yǔ)

迄今為止，筆者采用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法先后完成了200余套空間曲面溜槽的設(shè)計(jì)工作，現(xiàn)已全部安裝到位，并且在實(shí)際生產(chǎn)中使用效果良好。參數(shù)化設(shè)計(jì)使空間曲面溜槽設(shè)計(jì)周期縮短了80%以上，這意味著設(shè)計(jì)人工成本降低了80%以上，同時(shí)出圖的錯(cuò)誤率也大幅降低，避免了加工過(guò)程中不必要的返工帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。無(wú)論對(duì)于溜槽設(shè)計(jì)生產(chǎn)企業(yè)，還是現(xiàn)場(chǎng)溜槽用戶，更高的工作效率、更好的產(chǎn)品質(zhì)量、更低的生產(chǎn)成本均有利于企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高。

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